聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置（CSP）可以在沒(méi)有任何污染物排放的情況下發(fā)電，這是最具吸引力的化石燃料替代品之一。然而，CSP裝置的主要缺點(diǎn)是投資成本高，為了提高經(jīng)濟(jì)可行性，有必要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)CSP裝置，使其在經(jīng)濟(jì)收益上達(dá)到最優(yōu)。在本文的研究中，首先建立了太陽(yáng)能場(chǎng)和TES裝置的數(shù)學(xué)模型，然后在考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的約束條件、太陽(yáng)能輻射和風(fēng)能不確定性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建光場(chǎng)SF和儲(chǔ)能TES最優(yōu)協(xié)同分配模型，最終通過(guò)算例驗(yàn)證了所提模型的有效性。
為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，許多國(guó)家在減少二氧化碳排放、提高能源綜合利用效率方面做出了顯著努力。在此背景下，綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。為了緩解能源短缺和全球變暖的問(wèn)題，可再生能源發(fā)電被廣泛用于為消費(fèi)者提供能源。太陽(yáng)能是化石燃料最具吸引力的替代品之一，是最大的可再生能源。為了便于能量傳輸和利用，有必要將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。近年來(lái)，CSP裝置引起了研究人員的關(guān)注。儲(chǔ)能裝置TES可以顯著提高CSP裝置的能源價(jià)值，輔助服務(wù)價(jià)值和產(chǎn)能價(jià)值。CSP裝置與風(fēng)電場(chǎng)相結(jié)合，可減少基于自適應(yīng)穩(wěn)健優(yōu)化的聯(lián)合功率輸出的總體不確定性。然而在當(dāng)前的研究中，CSP裝置中的光場(chǎng)容量SF和TES的部署分配尚未得到深入的研究。相關(guān)文獻(xiàn)僅考慮單個(gè)CSP設(shè)備的生產(chǎn)，忽略了對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響。由于風(fēng)力發(fā)電的可變性和不確定性，安裝風(fēng)能的增加導(dǎo)致火電裝置面臨重大的運(yùn)營(yíng)挑戰(zhàn)，需要頻繁的循環(huán)，包括斜坡和啟動(dòng)/停機(jī)。CSP設(shè)備的靈活性具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)，可以減少傳統(tǒng)設(shè)備的啟動(dòng)/關(guān)閉，并減少風(fēng)電的削減，特別是在以煤為主的電力系統(tǒng)中。因此，應(yīng)考慮CSP裝置的能量流量和對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響來(lái)管理SF和TES的使用。在本文中，基于風(fēng)電集成模型，為電力系統(tǒng)中的CSP電站構(gòu)建光場(chǎng)SF和儲(chǔ)能TES最優(yōu)協(xié)同分配模型，以處理投資成本和收益之間的權(quán)衡。為電網(wǎng)的綠色經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備。
1光熱電站CSP的數(shù)學(xué)模型
1.1CSP的數(shù)學(xué)模型
在CSP裝置中，SF，TES和PB子系統(tǒng)與熱能流相結(jié)合。CSP設(shè)備的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型由以下等式描述：
CSP裝置的輸入，輸出和存儲(chǔ)之間的熱功率平衡如等式（1）所示。SF的總熱功率應(yīng)等于PB的熱功率加上TES的凈充電熱功率。
每單位面積的太陽(yáng)能被定義為直接法向輻射（DNI）。相應(yīng)地，SF上的總太陽(yáng)能是DNI值和鏡像區(qū)域的乘積。如（2）中所述，SF的熱功率輸出受到太陽(yáng)能的限制。另一方面，SF子系統(tǒng)的大小通常由太陽(yáng)能倍數(shù)（SM）測(cè)量。如（3）中所定義的，1.0SM表示具有設(shè)計(jì)的DNI值的SF子系統(tǒng)能夠提供精確的熱功率以驅(qū)動(dòng)以其額定容量運(yùn)行的PB子系統(tǒng)。約束（4）陳述了縮減太陽(yáng)能的上限和下限。
1.2 TES的數(shù)學(xué)模型
國(guó)內(nèi)目前常用的儲(chǔ)熱裝置是短期存儲(chǔ)熱量的大型蓄熱罐，利用熔鹽作為存儲(chǔ)介質(zhì)，依據(jù)不同溫度的熔鹽密度有差異進(jìn)行蓄熱。對(duì)于儲(chǔ)熱裝置的運(yùn)行成本，主要考慮其散熱損失，為此，對(duì)于儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量變換可以得到以下表達(dá)式：
2 優(yōu)化模型
大型SF對(duì)電力系統(tǒng)的好處是提供更多的太陽(yáng)能，大規(guī)模TES的好處是提高了降低太陽(yáng)能和風(fēng)能削減的靈活性。然而，較大規(guī)模的SF和TES意味著更高的投資。因此需要在利益和投資之間進(jìn)行權(quán)衡。本文考慮風(fēng)電消耗的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度通常以系統(tǒng)煤耗總成本最低為調(diào)度目標(biāo)。為了檢驗(yàn)儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)棄風(fēng)吸收量的影響，將棄風(fēng)成本加到成本上，則最優(yōu)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)可表示為：
3 案例研究
3.1 測(cè)試算例的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
為驗(yàn)證本文模型的有效性以及能量存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)消納棄風(fēng)的影響，本算例基于IEEE30節(jié)點(diǎn)模型，根據(jù)當(dāng)前我國(guó)“三北”電網(wǎng)實(shí)際電源結(jié)構(gòu)比例，取某一地區(qū)電網(wǎng)的裝機(jī)結(jié)構(gòu)如表1所示。通過(guò)仿真分析加入儲(chǔ)能裝置前后系統(tǒng)消納棄風(fēng)能力以及運(yùn)行成本的變化，驗(yàn)證已建立的優(yōu)化調(diào)度模型具有拓展電網(wǎng)棄風(fēng)消納空間、節(jié)約調(diào)度成本的效果。
該算例中，包含2臺(tái)CSP機(jī)組，1號(hào)機(jī)組，對(duì)區(qū)域1進(jìn)行供能，并且建有一個(gè)儲(chǔ)熱容量為120MW·h的蓄熱罐，最大蓄熱功率為50MW；2號(hào)機(jī)組屬于熱電廠B，對(duì)區(qū)域2進(jìn)行供能，并且建有一個(gè)儲(chǔ)熱容量為60MW·h的蓄熱罐；3-6號(hào)機(jī)組為火電機(jī)組。為考慮風(fēng)電消納，系統(tǒng)中還有1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。
3.2仿真結(jié)果分析
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，燃料成本隨著TES容量的增加而降低。TES使CSP裝置可以在夜間發(fā)電，這在峰值負(fù)荷調(diào)節(jié)中起著重要作用。因此，燃煤機(jī)組可以在基本負(fù)荷下工作，這將大大減小昂貴的啟動(dòng)成本。隨著TES容量的增加，可再生能源削減正在減少。足夠的太陽(yáng)能可以存儲(chǔ)在TES中以避免被縮減，并且儲(chǔ)存的能量能夠在夜間使用以減少化石燃料的消耗。TES對(duì)太陽(yáng)能的利用具有重大影響。為了提高CSP裝置的成本效益，SF規(guī)模和TES容量應(yīng)該很好地匹配。不同設(shè)置下的每小時(shí)功率輸出見(jiàn)圖1和圖2。在無(wú)儲(chǔ)能情況下，風(fēng)電與常規(guī)火電及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的輸出曲線如圖1所示，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象。廢棄的風(fēng)能為395MWh。CSP機(jī)組安裝蓄熱裝置后，風(fēng)電出力與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組曲線如圖2所示，棄風(fēng)功率降至113MWh。從圖中可以看到，當(dāng)風(fēng)太大，輸出功率的電力負(fù)荷會(huì)減少棄風(fēng)，此時(shí)，CSP單位使用加熱蓄熱裝置，可減少單位產(chǎn)出(包括輸出電能和熱能輸出)，從而增加風(fēng)力發(fā)電消耗的空間。當(dāng)風(fēng)電出力小、負(fù)荷大時(shí)，CSP機(jī)組增加出力，除滿足熱負(fù)荷需求外，余熱可儲(chǔ)存在蓄熱罐中。即蓄熱裝置有棄風(fēng)時(shí)釋放熱量，無(wú)棄風(fēng)時(shí)儲(chǔ)存熱量。
結(jié)論：綜合能源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜和多樣化的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多種能源的綜合利用。CSP裝置可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為不產(chǎn)生任何污染物排放的電能。同時(shí)，具有TES子系統(tǒng)的CSP裝置可以存儲(chǔ)熱能。然而，CSP裝置的主要缺點(diǎn)是投資成本高。為了提高經(jīng)濟(jì)可行性，有必要設(shè)計(jì)適當(dāng)SF規(guī)模和TES容量的CSP設(shè)備，使其在經(jīng)濟(jì)收益上達(dá)到最優(yōu)。在本文的研究中，首先建立了太陽(yáng)能場(chǎng)和TES裝置的數(shù)學(xué)模型，然后在考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的約束條件、太陽(yáng)能輻射和風(fēng)能不確定性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建光場(chǎng)SF和儲(chǔ)能TES最優(yōu)協(xié)同分配模型，最終通過(guò)算例驗(yàn)證了所提模型的有效性。
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